WO3半导体气体传感器的研究进展

WO3半导体气体传感器的

研究进展

姓名：王杰

学号:MZ14714

WO3半导体气体传感器的研究进展

一、引言

目前环境空气质量的好坏已经成为人们日常生活中非常关注的话题。为了

保护和改善人们生活环境、提高空气质量，我们迫切地需要研发一种高灵敏度、低成本、易维护的气体传感器，从而能够有效地对有害、有毒、易燃、易爆的

气体进行检测和检验。因此，气体传感器成为目前研究的热点。

气敏材料是整个气体传感器的关键部分。n型金属氧化物半导体WO3作为

一种优良的气敏材料，具有气质变色、压敏效应等优点。它可被应用为光学气

敏材料、压敏型气敏材料、SAW气敏材料和电阻型气敏材料。其中WO3作为

电阻型气敏材料研究最为广泛、最为成熟，它可检测H2S、NO x、O3、H2、CH4、CO和NH3等气体。它的工作机理是基于待测气体的吸附和紧随的表面反应过

程所引起的电阻变化。

近年来，经过通过研究者的不断努力，人们在WO3半导体气敏材料的灵敏度、降低工作温度、选择性、响应/恢复时间、稳定性等性能指标上做出了众多

的成就。为了促进WO3半导体气体传感器早日实现商业化生产，我们还必须对WO各方面的气敏指标做进一步完善。本文就WO3半导体气体传感器的应用场合、WO3体系和加工工艺进行论述。

二、WO3半导体气体传感器的应用场合

WO3是一种宽带隙的 n 型半导体，作为一种优良的半导体气敏材料，已被

认为是检测H2S 、NO x、O3和NH3等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。

2.1 WO3基NO2气体传感器

NO2气体为有毒有害气体，对人体呼吸系统损害大，同时是形成酸雨的主

要物质。因而 NO2气体的监控和检测，对环境保护和健康保障十分重要，研究

开发 NO2气敏传感器具有学术研究价值和实用应用意义。WO3作为一种近年来

发展起来的半导体功能材料，在气敏传感器等领域得到越来越广泛的应用，其

对 NO2气体表现出良好的气敏性。

Akiyama等曾报道WO3陶瓷在300℃工作时是检测NOx的高敏感材料。随

后的两年里人们研究了诸如半导体型、电化学型等各种类型的NO2气敏传感器，并一致认为WO3是最具有前景的NO2气敏传感器。Inoue等通过在空气中加热

分解(NH4)10W12O41制备了WO3，并采用丝网印刷法制备了WO3厚膜型NO2气

敏传感器，该传感器可以检测出2~3ppm NO2气体，而且稳定性良好。同年，Sberveglieri等采用磁控溅射法制备了WO3薄膜，并研究了其在200~500℃的温

度范围内对1~10ppm NO x的敏感特性。结果表明，该薄膜在上述条件对

1~10ppm的NO x具有良好的重复性和气敏响应，并可以选择性地检测出CH4、CO和SO2气体，其在400℃时对10ppm NO x的灵敏度为118，但是该研究并

没有探讨其气敏机理。Thomas等采用激光剥蚀法制备了WO3敏感膜并研究了

其在60~250℃范围内对NO和NO2的气敏性能。结果表明，其灵敏度较低，响

应时间长达数分钟。

最近，Xie和Piperno研究了真空热蒸发和磁控溅射法制备的WO3薄膜、

亚微孔WO3敏感膜及电纺丝法制备的WO3纳米纤维对NO x的气敏性能。例如，Xie采用真空热沉积法制备了WO3薄膜，研究了其对NO2的敏感特性。结果表明，敏感膜的退火和工作温度对NO2的敏感性能起到重要的作用。Piperno等采

用电纺丝法制备了直径为150~200nm的纤维，该纳米纤维对CO没有响应，对NO2则具有良好的敏感性能。

2.2 WO3基H2S气体传感器

在工业生产和日常生活中，H2S气体经常以一种空气污染物形式存在，H2S 气体浓度过高，不仅影响工业生产，而且会严重威胁人类和其他生物的生产，即使少量的H2S气体也会给人们的生活带来不便，工业上H2S在空气中允许的最大质量浓度为0.01mg/L ，因此迫切需要一种对H2S 气体敏感的气体元件。

一般认为，WO3接触H2S后引起负电荷载流子数目增大，从而引起n型半导体WO3电阻下降。而贵金属Au的掺杂主要是降低气敏元件的响应时间，提高对H2S的灵敏度。例如，Lin报道的非晶WO3薄膜经Au、Pd、Pt掺杂后，其达稳定阻值90%的响应时间缩短至1s以内。Royster采用金属-有机物沉积工艺制备了WO3敏感膜并研究了其对H2S的敏感性能。

近年来，随着研究的不断深入，许多文献报道了WO3敏感膜对ppm量级的H2S气体敏感性能，随测试温度和H2S气体浓度的不同其响应时间从3s到104s不等。例如，2005年，Ionescu制备的WO3纳米颗粒敏感膜在150~200℃范围内可检测出低至20ppb的H2S气体，其中，该敏感膜对1ppm H2S气体的灵敏度为3~5。Stankova采用磁控溅射法制备的纯的和Pt掺杂的WO3敏感膜在200℃时可检测出100ppb的H2S气体。WO3纳米晶敏感膜和WO3纳米线敏感膜对H2S气敏性能的研究也较为活跃。而在400℃退火后的WO3纳米晶敏感膜比700℃退火后的敏感膜对H2S气体具有更好的响应。Ponzoni制备的三维WO3纳米网络结构在300℃时对10 ppm H2S气体的灵敏度高达100。Rout研究了WO3纳米颗粒、WO3纳米片和WO2.72纳米线在40~250℃范围内对1~1000ppm H2S 气体的敏感特性，其中WO2.72纳米线敏感膜在250℃时对1ppm H2S气体的灵敏度为121。

2.3 WO3基NH3气体传感器

氨(NH3)是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，比空气轻（比重为

0.5），可感觉最低浓度为 5.3ppm。氨是一种碱性物质，它对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用。可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。